2.3.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm HY-SRF05 :
Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phát siêu âm. Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm. Sóng siêu âm từ đầu phát truyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại. Vận tốc truyền âm thanh trong không khí là một giá trị xác định trước, ít thay đổi. Do đó nếu xác định được khoảng thời gian từ lúc phát
SVTH: Phan Thị Si 37
sóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quy đổi được khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo tối đa lên tới 3-4 mét.
Hình 2.11: Cảm biến siêu âm HY_SRF05 2.3.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm HY-SRF05:
Điện áp hoạt động : 5VDC Dòng supply: <2mA Khoảng cách phát hiện: 2 - 450cm Độ chính xác cao: 0.3cm 5 chân : + Vcc + Trige + Echo + Out + GND 2.3.2 Tính khoảng cách
SRF05 là cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách với vật cản.
SRF05 sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng đề đo khoảng cách. Khi muốn đo khoảng cách SRF05 sẽ phát ra một 8 xung với tốc độ 40Khz. Sau đó nó sẽ chờ đợi xung phản xạ về. Từ thời gian giữa xung đi và xung về ta có thể dễ dàng tính được khoảng cách từ SRF05 tới vật cản. Khi phát ra xung, và chờ xung
SVTH: Phan Thị Si 38
phản xạ về, chân ECHO của SRF05 sẽ được kéo lên cao. Khi có xung phản xạ về chân ECHO sẽ được kéo xuống thấp, hoặc sau 30ms nếu không có xung phản xạ về.
Hình 2.12 : Biểu đồ thời gian của SRF05
Cách tính toán: ta đã biết, vận tốc của âm thanh trong không khí là 344m/s, như
vậy ta có: Quãng đường=vận tốc*thời gian. Mà quãng đường cần phải chia đôi vì sóng siêu âm đã đi tới vật cản rồi mới phản hồi về, như vậy để đó khoảng cách ta lấy: KC=QĐ/2.
2.3.4 Thay đổi chùm tia và độ rộng chùm
Chùm tia của HY-SRF05 có dạng hình nón và độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên HY-SRF05 được biểu diễn bên dưới.
SVTH: Phan Thị Si 39
2.3.5 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm của HY-SRF05.
Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh có truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại. Để tình thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được tính bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh tạo ra bởi HY_SRF05 là siêu âm, nghĩa là ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số thấp nhất có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.
- Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm HY-SRF05:
+ Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó.
+ Một đối tượng mềm có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc không có phản hồi. Một đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành tín hiệu phản chiếu một chiều cho cảm biến nhận.
SVTH: Phan Thị Si 40
+Các vùng cảm biến của HY-SRF05 nằm trong khoảng 1 mét chiều rộng từ bên này sang bên kia và không quá 5 mét chiều dài.
+ Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị HY-SRF05 bổ sung và gắn kết hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực chồng chéo lên nhau.
+Các vùng hoạt động của 2 cảm biến tạo góc chung 30 độ. Vùng chung thì được phân biệt bởi 2 phần tín hiệu trái phải và phần cản ở giữa.
SVTH: Phan Thị Si 41
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỰC NƯỚC TỰ ĐỘNG.
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 3.2 CÁC MODUL TRONG HỆ THỐNG
3.2.1 Khối điều khiển PIC:
Khối vi điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC16F877A. Khối VĐK bao gồm mạch
tạo dao động thạch anh, mạch Reset để reset hệ thống lại trạng thái ban đầu. Các chân của VĐK sẽ được kết nối với các khối khác như động cơ, bàn phím, khối hiển thị, khối cảm biến.
Nước
Khối cảm biến
Khối điều khiển PIC
Khối hiển thị LCD
Khối nguồn Động cơ
SVTH: Phan Thị Si 42
3.2.2 Khối cảm biến:
Sử dụng cảm biến siêu âm SRF05: nguồn 5V, một đầu vào tín hiệu kích hoạt và đầu ra phản hồi, dùng để thu phát tín hiệu siêu âm và xuất ra tín hiệu để tính toán khoảng cách.
3.2.3 Khối hiển thị
Khối hiển thị chính là màn hình hiển thị LCD 16x2. Trong bài sử dụng LCD 4 bit thì các chỉ cần sử dụng các chân RW, RS, E, D4 =>D7.
Trong chương trính sử dụng LCD ở chế độ 4bit. Các lệnh được sử dụng:
lcd_send_byte( BYTE address, BYTE n ) để điều khiển LCD ví dụ như
lệnh: lcd_send_byte(0,0x01) dùng để xóa màn hình, lcd_send_byte(0,0x08) để đưa con trỏ về đầu dòng thứ nhất…
lcd_gotoxy(a,b) để đưa con trỏ về các vị trí mong muốn thộc các dòng
khác nhau của LCD. Lcd_gotoxy(x,1) đưa con trỏ về dòng 1 vị trí x, vị trí x có thể từ 1->16 của LCD.
printf(lcd_putc,”…”): in một xâu ký tự ra màn hình.xâu ký tự có độ dài <
16 ký tự để LCD có thể hiển thị được đầy đủ.
lcd_putc(‘…’) : in một ký tự ra màn hình.
3.2.4 Khối điều khiển động cơ
Khi khối điều khiển PIC được kích hoạt điều khiển khối động cơ thì hệ thống bơm nước sẽ được hoạt động nhờ vào sự kích hoạt Rơle (là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định). Hệ thống động cơ bơm nước sử dụng nguồn 220V.
3.2.5: Khối phím bấm
Nguyên lý hoạt động của việc nhấn phím chính là cho các cột bằng 1. Rồi kiểm tra xem có cột nào bằng 0 hay không, nếu cột nào bằng 0 thì phát hiện ra phím đó được bấm.
SVTH: Phan Thị Si 43
3.2.6 Khối nguồn:
Cung cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển hoạt động theo yêu cầu đề tài.
3.3 LỰA CHỌN LINH KIỆN 3.3.1 Khối điều khiển
Vi điều khiển PIC 16F877A Bộ tạo dao động thạch anh
Hình 3.2: Vi điều khiển PIC 16F877A Hình 3.3: Tụ gốm và tụ thạch anh.
3.3.2 Khối cảm biến :
Hình 3.4: Cảm biến siêu âm HY_SRF05
Sử dụng cảm biến siêu âm HY-SRF05.
3.3.3 Khối hiển thị
Khối hiển thị chính là màn hình hiển thị LCD 16x2. Trong bài sử dụng LCD 4 bit thì các chỉ cần sử dụng các chân RW, RS, E, D4 =>D7.
SVTH: Phan Thị Si 44
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình 1 là hai loại LCD thông dụng.
Hình 3.5 : LCD
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau. Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết. Các chân này được đánh số thứ tự và đặt tên như bên dưới :
Hình 3.6 : Sơ đồ chân LCD
SVTH: Phan Thị Si 45
Bảng 3.1: Chức năng các chân LCD
Chân Tên Chức năng
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
GND của mạch điều khiển
2 Vdd Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC=5V của mạch điều khiển
3 Vee Chân này dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4 Rs Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic
“0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/w Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với
logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
6 E Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên
bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to- low transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
7-14 DB0-
DB7
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
SVTH: Phan Thị Si 46
c. Các thanh ghi
Chíp HD44780 có 2 thanh ghi 8 bit quan trọng : Thanh ghi lệnh IR và thanh ghi dữ liệu DR.
- Thanh ghi IR : Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus DB0-DB7. Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng. Người dùng chỉ việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR. Nghĩa là, khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chíp HD44780 sẽ tra bảng mã lệnh tại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện lệnh đó.
VD : Lệnh “hiển thị màn hình” có địa chỉ lệnh là 00001100 (DB7…DB0) Lệnh “hiển thị màn hình và con trỏ” có mã lệnh là 00001110
- Thanh ghi DR : Thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng RAM DDRAM hoặc CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng RAM này gởi ra cho MPU (ở chế độ đọc). Nghĩa là, khi MPU ghi thông tin vào DR, mạch nội bên trong chíp sẽ tự động ghi thông tin này vào DDRAM hoặc CGRAM. Hoặc khi thông tin về địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng RAM nội của HD44780 sẽ được chuyển ra DR để truyền cho MPU. Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữ 2 thanh ghi này khi giao tiếp với MPU. Bảng sau đây tóm tắt lại các thiết lập đối với hai chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp.
Bảng 3.2 : Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng
RS R/W Khi cần
0 0 Ghi vào thanh ghi RS để ra lệnh cho thanh ghi
0 1 Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở
DB0-DB6
1 0 Ghi vào thanh ghi DR
SVTH: Phan Thị Si 47
3.3.4 Khối điều khiển động cơ:
Rơ le được kích hoạt để điều khiển động cơ bơm nước (AC: 220v,công suất 12W).
Hình 3.7: máy bơm nước.
a. Giới thiệu Rơ le
Hình 3.8 : Rơle
Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín
hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực.
b. Các bộ phận chính của Rơle
+ Cơ cấu tiếp thu( khối tiếp thu): Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian.
+ Cơ cấu trung gian( khối trung gian): làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cho rơle tác động.
+ Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành): làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.
Ví dụ các khối trong cơ cấu rơle điện từ hình 3.9:
SVTH: Phan Thị Si 48
Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện.
Cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm.
Hình 3.9: Sơ đồ khối của Rơle điện từ.
c. Các thông số của Rơle
Hệ số điều khiển rơle:
+Pđk là công suất điều khiển định mức của rơle, chính là công suất định mức của cơ
cấu chấp hành.
+Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để rơle
tác động.
Với rơle điện từ Pđk là công suất tiếp điểm (nghĩa là công suất tiếp điểm cho phép
truyền qua). Ptđ là công suất cuộn dây nam châm hút.
Thời gian tác động: là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào, đến
lúc cơ cấu chấp hành làm việc. Với rơle điện từ là quãng thời gian cuộn dây được cung cấp dòng (hay áp) cho đến lúc hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp điểm thường mở) và mở hoàn toàn (với tiếp điểm thường đóng).
d. Nguyên lý hoạt động của Rơle
SVTH: Phan Thị Si 49 Khi cuộn dây được cấp điện, từ trường được tạo ra xung quanh cuộn và được lõi tập trung lại Nam châm điện này hút phần ứng động để mở hoặc đóng trực tiếp các tiếp điểm điện. Khi rơle bị ngắt điện (tắt) từ trường biến mất và phần ứng, được lò xo phản hồi hỗ trợ, đưa tiếp điểm trở lại vị trí “bình thường” của nó.
3.3.5 Khối phím bấm:
Dùng các phím bấm có 4 chân giống như hình vẽ:
Hình 3.11: Nút bấm.
Hình 3.12 : Sơ đồ chân của nút bấm dùng làm mạch.
Ta sử dụng nút bấm thường mở, với các chân nối chéo nhau, chân 1-3, 2-4 có thể dùng như nhau, vì thế khi nối mạch ta dùng một trong 2 cặp chân này.
3.3.6 Khối nguồn
SVTH: Phan Thị Si 50
Dùng nguồn 12V xoay chiều đưa vào cầu điốt để tạo ra điện áp một chiều, qua tụ san phẳng cho điện áp bằng phẳng hơn. Dùng IC7805 để ổn định điện áp đầu ra cho mạch của khối điều khiển.Tụ điện 1000u .Nguồn 12v, 4A.
Ngoài ra còn có BJT:
Hình 3.14 : Sơ đồ chân của D866 NPN Tính toán linh kiện :
Chọn Q là BJT thỏa mãn các điều kiện sau :
VCEO> 2 VCC =2*5=10V
ICO> ICMAX= 86mA
Vì công suất tiêu tán nhỏ nên ta không cần để ý đến công suất chịu đựng của linh kiện
Chọn Q là BJT có các thông số như sau
BJT VCEO IC(mA) Vcesat(v) Vbesat(v) βmin PC(mw)
2SA1015 -50V 150 -0.1:-0.3 -1.1 70 400 Tính chọn RB - VRB = VE-VEB = VCC –VEBSAT =5-1.1=3.9(V) - IBng = 𝐼𝐶 𝛽𝑚𝑖𝑛 = 86𝑚𝐴 70 =1.2 mA - Chọn IB> IBng chọn IB =1.7mA RB= 3.9 1.7 = 2.2KΩ Chọn RB = 2.2KΩ
SVTH: Phan Thị Si 51
3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý
Khối cảm biến
Khối điều khiển Pic
Khối hiển thị LCD Khối nguồn Khối bàn phím Khối động cơ J5 Ro le 1 2 3 4 5 0 PVN1 PIC16F877A RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-/CVREF 4 RA3/AN3/VREF+ 5 RA4/T0CKI/C1OUT 6 RA5/AN4/SS*/C2OUT 7 RB0/INT 33 RB1 34 RB2 35 RB3/PGM 36 RB4 37 RB5 38 RB6/PGC 39 RB7/PGD 40 RC0/T1OSO/T1CKI 15 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RC4/SDI/SDA 23 RC5/SDO 24 RC6/TX/CK 25 RC7/RX/DT 26 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RD2/PSP2 21 RD3/PSP3 22 RD4/PSP4 27 RD5/PSP5 28 RD6/PSP6 29 RD7/PSP7 30 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 VDD 32 VDD 11 VSS 31 VSS 12 MCLR*/VPP 1 RE0/RD*/AN5 8